計算機硬件

計算機（Computer）：俗稱電腦，是一種能接收和存儲信息，并按照存儲在其內部的程序對海量數(shù)據(jù)進行自動、高速地處理，然后把處理結果輸出的現(xiàn)代化智能電子設備。 發(fā)展歷史： * 第一代計算機(1946-1957) 電子管時代 * 第二代計算機(1958-1964) 晶體管時代 * 第三代計算機(1965-1970) 集成電路時代 * 第四代計算機(1971以后) 大規(guī)模集成電路時代

1946年,世界上第一臺計算機ENIAC(electronic numerical integrator and calculator)在美國賓州大學誕生，是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研成的。使用了17468只電子管，占地170平方米,重達30噸，耗電174千瓦，耗資40多萬美元。每秒可進行5000次加法或減法運算。

計算機的體系結構

程序是由指令和數(shù)據(jù)組成的，而程序只有載入內存才能被計算機執(zhí)行，那么計算機開機之后怎么知道CPU、內存等硬件是否良好，怎么知道自身有幾塊硬盤以及啟動次序呢？也就是如何實現(xiàn)“加電自檢”？這就需要計算機要有能夠實現(xiàn)自舉的能力將自身的元件激活，然后加載操作系統(tǒng)，讓操作系統(tǒng)去實現(xiàn)自舉程序無法實現(xiàn)的功能。那么我們所說的自舉程序是什么呢？計算機有是如何實現(xiàn)自舉的呢？我們先來了解計算機的體系結構！

計算機的體系結構包括運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備五大部件組成，這是由美籍匈牙利科學家馮.諾唯曼于 1946 年提出的。運算器實現(xiàn)運算，控制器控制運算器到內存的什么位置取數(shù)據(jù)又將數(shù)據(jù)存在什么位置，存儲器在這里我們指的是內存，鍵盤鼠標是我們的常見的輸入設備，屏幕是我們常見的輸出設備，而硬盤既是輸入設備又是輸出設備。

我們以加法器來說一下運算器，其實運算器是由許多個加法器組成的，即使是做減法運算也是將減法換算成加法來進行運算。例如要做二進制“1+0”的加法運算，輸入 A 的開關就閉合的，輸入 B 的開關就是斷開的，然后輸出端的就有了電壓。但是，運算的過程中有可能會產生進位，因此還有有進位輸出。計算機只能進行二進制的運算，為什么呢？如果運算器可以進行十進制“3+5”的運算， 我們是否可以將輸入 A 加一個 3V 的電壓， 輸入 B 加 5V 電壓，最后輸出一個 8V 的電壓。但是線路是有電阻的，在電的傳輸過程中就會產生壓降，整數(shù)的運算尚可以接受，那么小數(shù)呢？“0.03+0.05”該如何運算？顯然十進制不可以的！

其實這種推論很荒唐，但是不管怎么說運算器是進行二進制的運算。運算器是基于電學和邏輯學實現(xiàn)計算的一種電子設備，是電子設備就要符合電路的基本原理，要實現(xiàn)計算就要通過運算器中大規(guī)模邏輯門電路來實現(xiàn)邏輯運算。

內存是平面編址設備，所謂平面編址就是將內存的基本單位從一排到最后。與之相反的一種編址方式是三維編址，例如我們把一個國家分成 34 個省直轄市特別行政區(qū)，然后一個省又分成若干個市，市又分成若干個縣。所以，到這里大家應該就能明白什么叫平面編址了吧！內存在計算機中起到一個什么作用呢？其實內存存儲的是磁信號，而電磁是是可以相互轉換的。運算器讀內存中的數(shù)據(jù)時，內存中的磁信號轉換成 CPU 針腳上的電信號；反過來，運算器寫數(shù)據(jù)時是通過針腳上有無電壓轉換到內存中磁信號。

說到內存，我們不得不提一提計算機的位，常見的有 32 位和 64 位。有人常說 32 位的操作系統(tǒng)內存最大可以使用 4G 的內存。這里的位相對于寄存器的位數(shù)而言的，現(xiàn)在計算機的寄存器，物理地址總線寬度是相同的，因此在保護模式下 32 位的 CPU 的尋址能力 2^32，也就是 4G；而 64 位的 CPU 的尋址能力為 2^64，也就是 4G 個 4G，當然不是 16G 啊！一般而言，64 位的 CPU 比 32 位的 CPU 運算速度快，但是要想讓一個軟件有 64 位的速度，前提是 CPU、操作系統(tǒng)和軟件都是 64 位！

由于內存是易失性存儲設備，我們就期望有一種設備能將運算的結果長久的保存，這就用到了硬盤。輸入輸出設備其實就是我們與計算機之間交互的一種中間設備，那么當我們敲鍵盤或點鼠標這種信息是如何被計算機捕捉到呢？在 CPU 內部有一種叫可編程中斷控制器用于捕捉我們這種動作信息，然后交由運算器進行處理。

在計算機中運算器的運算速度要比內存快的的多的多，為了提高計算機的運算速度，CPU 內部集成了緩存，緩存的速度比運算器的速度慢但是比內存的速度快。因此，相同主頻的 CPU 未必運算速度就一樣。緩存要想工作，就要遵循程序的局部性原理，所謂程序的局部性原理包括時間上的局部性和空間上的局部性。時間上的局部性是指上一次訪問的數(shù)據(jù)很有可能再次訪問就放到二級緩存再放到一級緩存，空間上的局部性是指現(xiàn)在訪問的數(shù)據(jù)的周圍的數(shù)據(jù)將可能被訪問到就載入緩存。

最后，我們回過頭來說計算機的自舉。ROM 是只讀存儲器，內部存儲了 BIOS（Basic Input Output System）程序，這段程序由計算機的硬件邏輯完成的。計算一開機的時候，ROM 芯片中的 BIOS 程序(也就我們之前所說的自舉程序)會被映射到內存最開始的地方，然后由這段程序來完成加電自檢。我們?yōu)槭裁匆〞r間來講計算機的體系結構呢？因為，我們后期的系統(tǒng)調優(yōu)要用到這些理論性的東西。

計算機的主板上有北橋控制器和南橋控制器，北橋控制器是高速總線控制器，一般用于連接內存等需要速度快且數(shù)據(jù)量大的設備，然后連接到 CPU；而南橋是低速總線控制器，用于連接速度較慢的鍵盤鼠標網卡等，然后匯總交由北橋，最后傳輸?shù)?CPU。而現(xiàn)在，為了提速，內存有可能不在通過北橋連接到 CPU，而是直接連到 CPU；硬盤是機械設備，有的服務器直接采用固態(tài)硬盤，然后將固態(tài)硬盤接入北橋控制器。這就是硬件調優(yōu)！

操作系統(tǒng)

試想一下，我們寫一個程序在 Intel CPU 上能運行，在 Motorola CPU 上能運行嗎？不能！因為這兩種 CPU 的運行機制是不同的。CPU 只能識別二進制，如果我們用二進制來編程那就太困難了，因此 CPU 自帶微碼，也就是匯編語言，匯編語言是人類容易識別的語言，但是匯編語言跟硬件的結合成都很高，在 Intel CPU 上寫的程序依然無法在 Motorola CPU 上運行。 因此就有人將底層的功能抽象出來提供統(tǒng)一的 API 接口， 程序員只需要根據(jù)接口編程，不用管底層硬件的不同。這種程序所用的語言就是高級語言。

早期的計算機，輸入設備穿孔紙帶，輸出設備發(fā)光二極管，然后由記錄員記錄計算機的執(zhí)行結果。再后來就出現(xiàn)了磁帶機，磁帶機的速度比穿孔紙帶的速度快了許多。這個時期出現(xiàn)了批處理系統(tǒng)，所謂批處理系統(tǒng)就是將一批作業(yè)提交給操作系統(tǒng)之后就不再干預，由操作系統(tǒng)控制他們自動運行。各個任務之間會有間隔符號，當一個任務結束后，監(jiān)督程序會識別到任務結束，然后將控制權交由下一個任務。雖然批處理系統(tǒng)能讓程序連續(xù)運行，減少任務與任務之間空閑時間所消耗的成本，但是計算機計算的速度很快而輸入很慢。

于是，在 1964 年，由 AT&T 的 bell 實驗室、MIT（麻省理工學院）和 GE（美國通用電氣公司）共同研發(fā)名為multics 的分時操作系統(tǒng)，也由此開啟了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新紀元。現(xiàn)代操作系統(tǒng)與以往不同之處在于可以實現(xiàn)多任務，使得計算機的計算能力被充分利用。但是計算機只有一顆 CPU 和一段內存，那么該如何實現(xiàn)多任務呢？CPU 的計算能力是根據(jù)時間的流逝而完成， 因此將 CPU 的運算資源劃分成一個一個時間片（slice）。 假設每個時間片 1ms、有兩個程序，那么第一個程序運行 1ms,然后第二個程序再運行 1ms,這樣交替執(zhí)行。內存呢？將內存分段，這里就有了虛擬地址空間的概念，也就是說，32 位操作系統(tǒng)下的程序假設自身有 4G 內存！